臺灣化學教育

當藝術遇見化學：

化學在藝術品和文化遺產保護的應用

胡景瀚

國立彰化師範大學化學系
^*[email protected]

n  在藝術品和文物上的菌膜

在藝術品和文化遺產的保護過程中，菌膜（biofilm）造成的傷害是相當難處理的。菌膜是微生物細胞的聚合體，在菌膜中的細胞會以化學訊息互相溝通，這種溝通過程稱為「群聚感應」（quorum sensing）。群聚的細菌對於抗菌藥劑（抗生素）的抵抗力是它們在分離浮游狀態的一千倍以上，因此菌膜對健康有許多危害，人體約八成的感染是由菌膜所造成的，例如：牙垢、尿道炎、造成肺炎的鏈球菌等皆是。我們在樹幹和石塊上也經常看到菌膜留下的斑駁痕跡，圖一是竹子上的菌膜。

圖一：竹子上的菌膜

除了對健康造成的影響，在藝術品和文物上的菌膜也成為文物保護工作的一大難題。柬埔寨巴容廟的石雕佛像（見圖二）、位於義大利的世界文化古蹟「哈德良別墅」（見圖三）的石柱都受到菌膜的嚴重侵蝕。

圖二：柬埔寨巴容廟

（圖片來源：Das Lächeln von Angkor by Hans Stieglitz, https://goo.gl/4apXS2）

圖三：哈德良別墅

（圖片來源：The Maritime Theatre by GNU Free Documentation License, https://goo.gl/99H8f1）

n  化學方法清除菌膜

清除藝術品或古蹟上的菌膜遭遇到的困難，是我們不能用過度侵入性的方法，傷害了文物。苯扎氯銨（Benzalkonium chloride，見圖四）經常被用來消除藝術品和文物上的菌膜。苯扎氯銨是一種陽離子界面活性劑，可用於手術前消毒，也被應用於道路和泳池當作除藻劑。

圖四：苯扎氯銨的結構式

苯扎氯銨去除菌膜的能力有限，若想增強去除菌膜的能力，我們須先了解群聚感應的機制，圖五是細菌形成菌膜的示意圖。圖中紅色的紅點代表細菌溝通分子（N-acyl homoserine lactone, AHL），AHL由細菌的一段稱為LuxI的基因所製造，另一段基因LuxR會利用AHL和DNA中的Lux Box結合，並活化基因Lux CDABEG，這段基因會進行集體行為，如製造螢光分子（某些寄居在發光烏賊體內的細菌），或對宿主釋出毒性等等，也可能會製造更多的溝通分子。然而，細菌的AHL受體必須在足夠高AHL濃度時才能作用，受體會偵測環境中AHL的濃度，並在適當的濃度下啟動系列反應。

圖五：細菌形成菌膜的示意圖

（圖片來源：Bacterial Quorum Sensing by Caroline Dahl, https://goo.gl/HU1xw2）

有趣的是，各種細菌用來溝通的分子都有相似的結構（見圖六）。圖六中的分子1是一種革蘭氏陰性菌（綠膿桿菌）的群聚感應分子，2和3是其它革蘭氏陰性菌的群聚感應分子，我們可以看出這些分子的結構的相似性。紐約州立大學的Suga教授合成出分子4，並證明它具有抑制綠膿桿菌群聚的功能。¹從圖六中我們可以看到1和4極為相似，可能是後者取代了前者和受體的作用並干擾了後續的生化作用。

圖六：各種細菌用來溝通的分子，1-3為革蘭氏陰性菌的群聚感應分子

一氧化氮（NO）是一個簡單的雙原子自由基分子，然而自二十世紀後期，NO與生物化學的重要關聯陸續被發現，它是生物體中的訊息傳導物質，對於代謝、免疫、血管擴張等生化功能都扮演了重要的角色，最早揭露其生化功能的科學家們也因而於1998年獲頒諾貝爾獎。

因為分散的菌膜容易被苯扎氯銨消滅，有科學家因此想到利用NO先將菌膜驅散，降低其群聚程度後再施以苯扎氯銨消滅細菌。這個想法果然得到很好的結果，相關的研究仍在持續進行中。^2,3

某些實驗室則合成了帶有NO的有機物自由基，並證實其亦具有非常好的驅散細菌的能力。澳洲墨爾本大學的Schiesser實驗室證實了先以非常低濃度（50 mM）的5（見圖七），塗在菌膜上再加入0.001%的苯扎氯銨可以有效地除去從木雕藝術品取下的菌膜（一般的古蹟處理程序使用2%的苯扎氯銨）。⁴

圖七： 帶有NO的有機物自由基

NO及其相關化合物驅散細菌的機制，可能是這些分子干擾了圖五所示的某一個生化步驟，深入的了解前述作用的機制則有待科學家們更進一步的研究。

n  參考文獻

1.        Smith, K. M.; Bu, Y.; Suga, H. Chemistry & Biology 2003, 10, 81.

2.        Barraud, N.; Hassett, D. J.; Hwang, S. H.; Rice, S. A.; Kjelleberg, S.; Webb, J. S. J Bacteriol 2006, 188, 7344.

3.        Nablo, B. J.; Rothrock, A. R.; Schoenfisch, M. H. Biomaterials 2005, 26, 917.

4.        Alexander, S. A.; Rouse, E. M.; White, J. M.; Tse, N.; Kyi, C.; Schiesser, C. H. Chem Commun (Camb) 2015, 51, 3355.